炭黑作為一種重要的橡膠填充劑，對(duì)順丁橡膠(BR)的性能有著顯著的影響。本文將從炭黑對(duì)順丁橡膠的物理性能、動(dòng)態(tài)性能、耐磨性能以及補(bǔ)強(qiáng)作用等方面進(jìn)行詳細(xì)探討，以期深入理解炭黑與順丁橡膠之間的相互作用。
一、炭黑對(duì)順丁橡膠物理性能的影響
炭黑在順丁橡膠中的用量直接影響其物理性能。隨著炭黑用量的增加，順丁橡膠的壓縮溫升和壓縮永久變形呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著炭黑填充量的增加，順丁橡膠的分散性逐漸變差，炭黑與橡膠的相互作用增大。在動(dòng)態(tài)作用下，橡膠內(nèi)部的摩擦生熱增加，導(dǎo)致溫升提高。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)炭黑用量在30-50份之間時(shí)，國(guó)產(chǎn)稀土順丁橡膠的壓縮溫升和壓縮永久變形增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小。然而，當(dāng)炭黑用量超過(guò)50份時(shí)，這些性能指標(biāo)的增長(zhǎng)幾乎呈線性趨勢(shì)。值得注意的是，無(wú)論炭黑填充量如何變化，國(guó)產(chǎn)稀土順丁橡膠的壓縮溫升始終低于國(guó)外稀土順丁橡膠、鎳系順丁橡膠和鈷系順丁橡膠。這表明在壓縮溫升方面，國(guó)產(chǎn)稀土順丁橡膠具有更高的填充容忍度。
此外，炭黑對(duì)順丁橡膠的拉伸強(qiáng)度也有重要影響。以熱可逆順丁橡膠(TBR)為例，隨著白炭黑(一種特定類型的炭黑)用量的增加，TBR的拉伸強(qiáng)度逐漸增大，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減少。當(dāng)白炭黑用量達(dá)到30份時(shí)(通常以phr，即每百份橡膠中的份數(shù)表示)，TBR的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別達(dá)到最優(yōu)值。然而，當(dāng)白炭黑用量超過(guò)這一臨界值時(shí)，拉伸強(qiáng)度可能會(huì)下降，原因是過(guò)量的炭黑可能阻礙橡膠分子間的交聯(lián)，導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度下降。
二、炭黑對(duì)順丁橡膠動(dòng)態(tài)性能的影響
輪胎在行駛過(guò)程中，胎側(cè)會(huì)受到周期性的曲撓作用，因此胎側(cè)通常采用天然橡膠(NR)與順丁橡膠(BR)并用以獲得良好的動(dòng)態(tài)疲勞性能。炭黑在NR/BR并用膠中的分布和親和性對(duì)并用膠的性能，特別是動(dòng)態(tài)疲勞性能，具有重要影響。
研究表明，炭黑在NR/BR并用膠中更傾向于分布在BR相中。通過(guò)調(diào)控炭黑的粒徑、結(jié)構(gòu)度以及膠料混合工藝，可以優(yōu)化炭黑在NR/BR中的分布，從而提高動(dòng)態(tài)疲勞性能。例如，采用稀土催化、高門尼粘度的BR(如Nd-60)和高結(jié)構(gòu)的炭黑(如N375)，并結(jié)合NR炭黑母膠工藝，可以基本實(shí)現(xiàn)炭黑在NR/BR中的均勻分布，從而顯著提高輪胎胎側(cè)膠的動(dòng)態(tài)疲勞性能。
炭黑的分布不僅影響動(dòng)態(tài)疲勞性能，還影響橡膠的動(dòng)態(tài)模量和損耗因子。通過(guò)動(dòng)態(tài)粘彈譜測(cè)定，可以建立損耗因子峰高與炭黑含量的關(guān)系，從而定量計(jì)算炭黑在NR/BR中的分布情況。這些研究為優(yōu)化炭黑在橡膠中的分布提供了科學(xué)依據(jù)，有助于進(jìn)一步提高橡膠的動(dòng)態(tài)性能。
三、炭黑對(duì)順丁橡膠耐磨性能的影響
橡膠的耐磨性是橡膠制品，特別是動(dòng)態(tài)下使用的橡膠制品極為重要的技術(shù)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著炭黑用量的增加，順丁橡膠的磨耗量明顯下降，耐磨耗性能顯著提高。這是因?yàn)樘亢谧鳛樘盍希梢栽黾酉鹉z的硬度和剛度，從而提高其耐磨性。
耐磨性的提高不僅依賴于炭黑的用量，還與炭黑的種類和性質(zhì)密切相關(guān)。例如，高結(jié)構(gòu)的炭黑由于其較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力，能夠更有效地提高橡膠的耐磨性。此外，炭黑在橡膠中的分散性也是影響耐磨性能的重要因素。分散良好的炭黑能夠更有效地傳遞應(yīng)力，減少橡膠內(nèi)部的摩擦和磨損。
四、炭黑對(duì)順丁橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用
炭黑對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用一直是橡膠科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。炭黑粒子表面上的吸附橡膠層平均厚度對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效果具有重要影響。通過(guò)核磁共振等現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，可以研究炭黑與橡膠微觀相互作用結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，從而深入了解炭黑的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理。
研究表明，炭黑粒子表面的吸附橡膠層不僅增加了橡膠的交聯(lián)密度，還改變了橡膠的分子鏈段運(yùn)動(dòng)行為。這些變化有助于提高橡膠的強(qiáng)度和模量，從而增強(qiáng)其補(bǔ)強(qiáng)效果。此外，炭黑的粒徑、結(jié)構(gòu)度和表面性質(zhì)等也會(huì)影響其補(bǔ)強(qiáng)性能。因此，在選擇炭黑作為橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑時(shí)，需要綜合考慮其種類、性質(zhì)和用量等因素。
結(jié)語(yǔ)
炭黑對(duì)順丁橡膠的性能具有顯著影響。通過(guò)優(yōu)化炭黑的用量、種類和分布等參數(shù)，可以顯著提高順丁橡膠的物理性能、動(dòng)態(tài)性能、耐磨性能和補(bǔ)強(qiáng)作用。這些研究成果不僅為橡膠制品的研發(fā)和生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)，也為推動(dòng)橡膠工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。未來(lái)，隨著材料科學(xué)和納米技術(shù)的不斷發(fā)展，炭黑在橡膠中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。
